综合塔群裂纹产生原因及对策

1、综合塔群裂纹产生原因及对策 一、概述 综合塔是中氮肥生产关键设备之一，其设备状态的好坏直接影响到生产的安全运行，近年来，某化肥厂综合塔从中部环形塔壁段相继发现由内向外的穿透性裂纹。数量从个别发展到十几个，严重影响生产的正常进行。利用系统停车机会，通过对该塔产生裂纹的原因分析，对其进行了一系列处理，使用一年，效果良好，至今未见有新裂纹的产生。本文就综合塔产生群裂纹的原因予以分析，并提出相应的解决办法。 综合塔由上下两段组成，中间部分为一个大的升气帽，升气帽下部为付塔段，升气帽以上塔体为回收清洗段，主要用从塔顶自上而下通过均布条形塔盘的软水吸收自下而上的气体中的氨气，形成稀氨水（6-7%），稀氨水

2、在升帽盘上形成一定的液位，然后从液封板旁塔壁上894的接管排出到综合塔附属设备液封槽。该塔在投用五年多时间以后在升气帽外塔壁环形区域开始产生穿透性裂纹，这些裂纹大多数聚集在液封板等内件与塔壁相焊的母材上及环逢的t型焊结接头及纵、环缝上。从打磨裂纹的过程中，发现这些裂纹均为自内向外的穿透性裂纹，且呈树枝状分叉，为典型的应力腐蚀裂纹。 应力腐蚀开裂是化工工厂最常见的一种腐蚀方式，它的特点是有一定的滞后性，一般是在设备投用一段时间后开始发生。目前研究认为，应力腐蚀开裂是敏感金属，合金在一定应力（外力及制造过程中的残余应力）和一定腐蚀介质环境（有时甚至是水中）共同作用下产生的一种特殊的断裂方式，虽然目

3、前对其发展的机理有各种说法，没有确切的结论，但现实使用中已证明，应力腐蚀的主要特征一般先从容器内壁产生裂纹源，然后扩展到容器外壁，即为由内而外的穿透性裂纹，且发生位置主要集中在内件与塔壁的焊结接头。简体的纵、环缝，t型接头以及筒体与封头焊缝及其热影响区。这些事实更进一步证明综合塔群裂纹就是应力腐蚀引起的。 应力腐蚀产生的三大要素为应力、介质、材质。那么，在整个塔体中，为什么裂纹只集中在升气帽形带上，这与应力腐蚀产生的机理有什么关系？从以下几个方面予以分析。 二、原因分析 1、材质与介质 综合塔材质为16mnr，厚度为16mm，大量的实验及事实表明，一定的材质在一定的介质中会产生应力腐蚀，如，奥

4、氏体不绣钢在含ci-的水中，当ci-浓度大于25mg/l时，就会发生应力腐蚀的倾向，16mnr材质浓氨水中，硝酸盐溶液，发生应力腐蚀倾向更大。 该段介质为上升的碳化气体被下降过程中的软水所吸收，形成稀氨气溶液（67%）和碳化气尾气，介质本身的腐蚀性不强，但是，碳水气尾中含有一定量的h2s气体（75-100mg/l）也被吸收，形成湿h2s环境，大量实验及事实已证明，在湿h2s环境下，即使其含量很低，对于有应力集中可能的实际结构的压力容器，特别是在制造、安装时，遗留下很多微小冷裂纹或再生热裂纹，有应力梯度的容器，只要不断补充h2s，经过足够长的时间，一般为（36年），即可发生应力腐蚀，所以该塔其裂

5、纹的产生主要是由湿h2s引起的应力腐蚀开裂。 2、应力 制造应力：该容器制造时间为元2月份，正值冬季，16mnr材质为缺口敏感性材质，施焊过程中，特别在隆冬季节，16mnr焊接时由于有淬硬倾向及冷却速度快而产生冷裂纹，一般焊接时，均采取焊前预热，焊中控制层间温度及焊后热处理来保证其焊接质量。综合塔直径为3000，塔高17000mm，如此巨大的设备在冬季很难达到施焊的环境温度要求，也很难确保以上施焊措施的到位。从设备档案中查出，该塔当时从宏观看，焊接质量较差，主要反映在焊缝成型差，返修率高，返修处达40多处，级片有6张，而升气帽环形区域又是该塔内件结构最复杂的地方。焊接点多，地方狭小，施焊条件差

6、，也是焊接质量最难保证的地方，从上述情况可以看出，该塔在制造时，由于焊接质量差，造成焊结应力大，内件拘束力大等因素，为以后产生应力腐蚀埋下了隐患。 结构应力：从结构上来看，该段塔体由下自上上升的气体必须经过升气帽中心管950，然后经罩帽改变方向向下冲向塔盘液面，与自上而下的软水形成稀氨水，在这个过程中，自上而下的气体由原来的3000直径均布上升经气帽以后变成经过1400/950的狭窄环形通道冲向塔盘，使得塔盘液位上形成一个环形的局部冲击力，从而恶化了塔盘的受力状况，冲击也对塔壁造成了很大的冲刷力，从而使该段塔体除了受到焊接残余应力及内件间的拘束力，还受到来自气体对塔盘的冲击力的影响。 由此可见

7、，在应力、材质、介质共同作用下产生应力腐蚀也就在所难免。 三、对策 该塔为在用压力容器，由于制作周期长，费用高，加之工厂自身经济效益考虑，目前状况下不可能予以更新，也就是说，材质、介质二因素是无法改变的，那么我们只有采取措施降低其应力水平，从而从源头上改变应力腐蚀的进一步发展，以保证容器的安全运行。 1、裂纹处理 对现已发现的群裂纹进行打磨，由于当时处于大修时间，可从内外均进行打磨，然后进行补焊，焊后做表面探伤，直至合格，并将焊缝打磨到与塔内外壁相平。 2、结构改造 从上述原因分析中，已知道该塔升气帽结构的不合理性，大修时，将升气帽罩帽1400直边段去掉，只留下罩帽一部分，使自下而上的气体不再

8、经过狭长的环形通道，而是均匀地分布，从而减少对塔盘的冲击力。 其次，由于近年来生产能力的扩大，稀氨水液位偏高，将844的排出口扩大为1084，并将支撑板空隙加大，使形成的液氨能尽快排出。除此之外，用=5mm的16mnr板，从塔盘开始，以略高于稀氨水液位高度，沿塔壁贴一环形内筒，目的是阻断稀氨水与塔壁的进一步接触，使正在扩展的裂纹不再扩展，注意贴板是，焊条必须选用韧性大，强度低的焊条焊接，以免产生二次焊接裂纹，根据现场当时施工试验，采用j427效果很好。 经过以上处理后，该塔在一年以后的监控使用中，未发现新的穿透性裂纹出现，说明效果很好，再下次停车时，我们将借鉴兄弟厂经验，对升气帽结构予以进一步

9、改进，使气体在此分布更均匀，吸收效果更好。 四、建议 该塔如果以后有机会重新制做，除从结构上按上述方法进行改造外，主要从制造质量上严格把关，从根本上降低制造过程带来的应力，根据这几年的管理经验，建议如下： 1、材质仍可选用16mnr，据有关资料提供，20r、20g、q235等材质比16mnr其应力腐蚀倾向小些，但从实际情况看，并不理想，与综合塔稀氨水排出口相连的附属设备液封槽材质为q232-a，其下封头与环缝焊接热影响区同样发生了应力腐蚀裂纹，如选用20r等材质，其塔壁厚度相尖增大，卷制过程中，由壁厚引起的应力更大。 2、严把焊接质量，焊接应避开冬季，尽量在不需预热的（t15）环境气候条件下制

10、造，焊接时特别是内件部分，由于这些焊缝无法进行射线检测，一定要注意焊接接头的设计，能双面焊就不采取单面焊，尽量采用全焊透形式，控制焊缝高度，提高坡口加工质量，降低应力集中，使容器焊接过程中残余应力尽量降低。 3、强化热处理手段，按gb150-98规定，16mnr材质在30时，也应进行消除应力热处理，但根据使用状况，厚度在20mm左右时，也应进行消除应力热处理，特别是内件焊接应力大的复杂部分，至少这一段应进行消除应力热处理，事实也证明其正确性，在液封槽更新制造时将下封头及环缝热影响区经热处理后，使用一年后未再发生应力腐蚀裂纹（原来一年就报废）。 结论： 1、综合塔群裂纹为一定应力水平下，一定材质在一定介